РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ СИНТЕЗА НАНОКРИСТАЛЛОВ
Re2SiO5:Pr3+, Re2SiO5:Ce3+ (Re = Lu, Y)
Проведение намеченных исследований потребовало создания специальной экспериментальной техники и разработки методов исследования, приспособленных для получения экспериментальных данных по спектроскопии одиночных нанокристаллов при различной температуре. Также потребовалась разработка и совершенствование метода синтеза примесных нанокристаллов Re2SiO5 (Re = Lu, Y) с управляемыми размерами.
2.1. Измерение оптических спектров
Основой спектрального измерительного комплекса является двойной монохроматор СДЛ-1 с дифракционными решетками и длиннофокусными зеркальными объективами. Значительная дисперсия и большая светосила прибора, а так же возможность смены дифракционных решеток, позволили с хорошим разрешением регистрировать спектры в широкой области от 200 нм до 6000 нм. Дооснащение монохроматора шаговым двигателем, вращающим дифракционную решетку монохроматора, позволило автоматизировать проведение исследований с помощью персонального компьютера.
2.1.1. Измерение спектров поглощения. Блок-схема измерения спектров поглощения приведена на Рис. 2.1. В качестве источника непрерывного света применялась галогенная лампа, подключенная к стабилизированному источнику тока БП1. Свет лампы, сфокусированный на исследуемый кристалл (S) (для низкотемпературных спектров применялся стандартный оптический криостат) линзой (Л), проходил через него и затем фокусировался на входную щель монохроматора конденсором (К). Для регистрации спектра в видимом диапазоне в монохроматоре использовалась дифракционная решетка, имевшая 1200 штр/мм. На выходе монохроматора свет регистрировался с помощью ФЭУ-100 или ФЭУ-136, которые работали в режиме счета одиночных фотонов. Питание фотоэлектронных умножителей производилось от источника стабилизированного высокого напряжения БП2. Перестраиваемый по напряжению блок питания БП2 позволял оптимизировать работу обоих ФЭУ в режиме счета фотонов.
Одиночные импульсы с ФЭУ фильтровались от шумов и приводились по величине амплитуды напряжения к уровню +5 вольт усилителем-дискриминатором (У-Д), для устойчивой работы микросхем ТТЛ логики счетчика импульса МКО-101, входящего в состав крейта КАМАК. В зависимости от интенсивности измеряемого светового потока, время счета фотонов задавалось оператором ПК и контролировалось программно.
Для минимизации случайных ошибок измерения полученное число импульсов на каждой длине волны усреднялось по нескольким измерениям. Число этих измерений зависело от соотношения сигнал-шум измерительной системы.
2.1.2. Измерение спектров люминесценции. Одна из задач, поставленных в работе, проанализировать динамику флуоресценции одиночного нанокристалла в широком интервале температур потребовала новых подходов в технике для сбора и регистрации флуоресценции с одиночного нанокристалла. С этой целью был создан специализированный конфокальный флуоресцентный микроскоп, позволяющий регистрировать флуоресценцию одиночного нанокристалла в интервале температур 77-300 К.
Рис. 2.1. Блок-схема установки для измерения спектров поглощения кристаллов, где БП1 - блок питания лампы, БП2 - блок питания фотоэлектронного умножителя, Л - фокусирующая линза, S - исследуемый образец, К - конденсор, ФЭУ - фотоэлектронный умножитель, БУШД - блок управления шаговым двигателем, У-Д - усилитель-дискриминатор, МКО - счетчик импульсов, ПК - персональный компьютер.
Спектры флуоресценции объемных кристаллов измерялись по стандартным методикам.
2.1.2.1. Измерение спектров люминесценции кристаллов Re2SiO5:Pr3+, Re2SiO5:Ce3+ (Re = Lu, Y). Схема измерения спектров люминесценции (Рис. 2.2) состоит из схемы регистрации сигнала, аналогичной схеме регистрации при измерении поглощения и схемы возбуждения люминесценции. В зависимости от решаемой экспериментальной задачи люминесценция исследуемых кристаллов возбуждалась разными лазерными источниками. Лазерное излучение направлялось на образец под углом к световой оси монохроматора, чтобы уменьшить засветку системы регистрации.
Для селективной спектроскопии примесных центров в кристалле YSO:Pr, использовался лазер на органических красителях ЛЖИ-504, перестраиваемый по частоте и накачиваемый лазером на парах меди ИЛГИ-101. Возбуждение флуоресценции LSO:Ce кристалла осуществлялось непрерывным He-Cd лазером.
2.1.2.2. Измерение спектров люминесценции нанокристаллов Re2SiO5:Pr3+, Re2SiO5:Ce3+ (Re = Lu, Y). Возбуждение и сбор флуоресценции с одиночного нанокристалла в широком температурном интервале осуществлялось в конфокальной геометрии. С этой целью был сконструирован специализированный флуоресцентный микроскоп, блок-схема которого приведена на Рис. 2.3. Для того, чтобы иметь возможность работать при низких температурах, микроскоп был помещен в вакуумную камеру (ВК). Диафрагмированный лазерный луч возбуждения, отражаясь от дихроичного зеркала (ДЗ), фокусировался на объекте объективом (О). Дихроичное зеркало позволяло спектрально разделить коротковолновое лазерное возбуждение и длинноволновую флуоресценцию образца. Собранный таким образом свет пропускался через обрезной фильтр (ОФ)
Рис. 2.2. Блок-схема установки для измерения люминесценции кристаллов, где Л - фокусирующая линза, S - исследуемый образец, К - конденсор, БП2 - блок питания фотоэлектронного умножителя, ФЭУ - фотоэлектронный умножитель, У-Д - усилитель-дискриминатор, МКО - счетчик импульсов, БУШД - блок управления шаговым двигателем, ПК - персональный компьютер.
для увеличения соотношения сигнал-шум и посылался на систему регистрации, работающей в режиме счета отдельных фотонов. В микроскопе использовали